PCM Wärmespeicher für Luftkollektoren - Trubadu.de

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PCM Wärmespeicher für
Luftkollektoren
Bauanleitung
Dipl.-Ing. Stefan Brandt
Nov. 2010
1. Auflage
Copyright 2010 Stefan Brandt

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ...................................................................................... 1-2
Abkürzungsverzeichnis ............................................................................ 1-3
1. Einleitung ......................................................................................... 1-4
2. Wärmespeicherung aus solaren Luftkollektoren .......................... 2-5
3. Die PCM Speicher Bauanleitung .................................................... 3-6
3.1 Sensible Wärmespeicherung ............................................................. 3-6
3.2 Latentwärmespeicherung .................................................................. 3-6
3.3 Eigenschaften von PCM .................................................................... 3-7
3.4 Wie funktioniert Energiespeicherung im Trubadu PCM Speicher ...... 3-7
3.5 Die Temperaturauslegung für den Luftkollektor Speicher .................. 3-9
3.6 Das Speichergehäuse ..................................................................... 3-10
3.7 Die Zu - Luftführung ......................................................................... 3-11
3.8 Die Um - Luftführung ....................................................................... 3-11
4. Berechnungen & technische Anforderungen ............................. 4-12
4.1 Speichergröße auslegen .................................................................. 4-12
4.2 Anforderungen an den Lüfter ........................................................... 4-12
4.3 Motorregelung ................................................................................. 4-12
4.4 Temperaturregelung ........................................................................ 4-12
4.4.1 Standardregelung mit 3 Temperaturreglern ................................ 4-13
4.4.2 Regelung mit Microsol II von Full Gauge .................................... 4-13
4.4.3 Regelung mit Solarsteuerungs Modul von TM Solar .................. 4-13
4.5 Speicherbeladungsgrad ................................................................... 4-14
4.6 Leistungstest ................................................................................... 4-14
4.7 Wirtschaftlichkeitsberechnung 3 kWh Speicher ............................... 4-14
4.8 Aussicht ........................................................................................... 4-15
4.9 220 Volt Betrieb ............................................................................... 4-15
5. Literaturverzeichnis....................................................................... 5-16
6. Anhang Bauanleitung 43 Seiten Bauplan .................................... 6-16

1. Einleitung
In der Herbst- und Frühjahrszeit besteht eine zeitliche Verschiebung zwischen
Wärmeangebot und Wärmebedarf bei solaren Luftkollektoren.
An sonnigen Tagen in der Übergangsjahreszeit produziert der Fassadenkollektor
bis zu 14 kWh/d an Wärme. Die Wärmedämmeigenschaften unseres
Gebäudes sind allerdings so gut, dass wir in dieser Zeit tagsüber nur 2-6
kWh an Heizwärme benötigen. Schön wäre es, diese Mehrenergie für die
Nacht zu speichern, um die Temperatursenke zwischen 22-6 Uhr zu kompensieren.
Speichermöglichkeiten gibt es einige, in der Vergangenheit wurden häufig
Hohlräume in Wand und Fußboden integriert, durch die die warme Luft geleitet
wurde. Die sogenannten Luft - Wandheizungen und Luft - Fußbodenheizungen
(auch als Murokausten und Hypokausten bezeichnet) sind jedoch
nur mit viel Aufwand und hohen Kosten in bestehende Gebäude zu integrieren.
Auch Kiesbett- oder Wasserspeicher haben Ihre Tücken, bergen Risiken
(Wasser) und sind von der Speicherkapazität eher mittelmäßig.
Alternativ kommen Latentspeicher zum Einsatz diese lassen sich aus sogenannten
PCM Materialien herstellen, die zunehmend als Energiespeicher
Einzug halten.
Der Autor zeigt, dass mit relativ einfachen Mitteln und einigem technischen
Verständnis in kurzer Zeit ein PCM Speicher mit einer Kapazität von 3-6 kWh
selbst gebaut werden kann.
Ich wünsche allen Lesern viel Spaß beim Nachbauen.
Dipl.-Ing. Stefan Brandt

2. Wärmespeicherung aus solaren Luftkollektoren
Schon seit vielen Jahrzehnten werden Gebäude mit solaren Luftsystemen beheizt
und mit erwärmter Frischluft versorgt. Luft hat als Wärme führendes Medium
viele Vorteile: Luft tropft nicht, gefriert nicht und steht in ausreichender
Menge zur Verfügung. Luft kann „bewegt" werden, nimmt schnell Wärme auf
und strömt frei. In Gebäuden muss Luft als Atemluft und zur Abfuhr von
Feuchtigkeit ohnehin laufend ausgetauscht werden. Es liegt daher nahe, die
Luft gleichzeitig zur Beheizung zu nutzen.
Schwierigkeiten bereitetete bisher allerdings die Speicherung der Wärme, gerade
dann, wenn mehr Wärmeenergie zur Verfügung steht als gebraucht wird. Bei
größeren Kollektorflächen ist dies häufig in der Übergangsjahreszeit der Fall.
Der 5,5 m² Fassadenkollektor (siehe Bauanleitung „Der Fassadenkollektor“)
erwärmt unser 68 m² Erdgeschoss an Sonnentagen tagsüber meist um 5-8
Grad. In der Nacht kühlt der Raum allerdings auf ca. 16 bis 18 Grad ab, so
dass es morgens empfindlich kühl in den Wohnräumen wird. Meist wird dann
die Heizung aktiviert, um den Raum wieder auf 21 Grad zu temperieren, bis der
Luftkollektor seine eigentliche Arbeit aufnimmt. Gegen Mittag müssen dann die
Fenster geöffnet werden, um die erreichte Raumtemperatur von 24 Grad zu
reduzieren. Eine unnötige Energieverschwendung - hier setzt die PCM-
Speicheridee an.
Eine gute Möglichkeit bietet die Speicherung mittels PCM Platten, die von der
erwärmten Luft umströmt werden. Diese Speicher lassen sich einfach herstellen
und weisen eine lange Lebensdauer auf. Aktuell sind diese Speichermedien
noch relativ teuer, in den nächsten ein bis zwei Jahren ist hier aber mit einer
Preisreduzierung zu rechnen. Der hier beschriebene Speicher mit ca. 3 KWh
Speicherkapazität lässt sich für ca. 1.400 € realisieren (Stand Okt 2010). Die
Lebenserwartung liegt bei gut 20 Jahren, bei minimalem Wartungsaufwand.
Das sind 70 € pro Jahr oder ca. 33 Cent/Tag in der Heizsasison.

3. Die PCM Speicher Bauanleitung
3.1 Sensible Wärmespeicherung
Gewöhnlich treten bei der Speicherung von Wärme, z.B. im Warmwasserspeicher
oder Kachelofen große Temperaturänderungen von mehreren 10°C auf.
Bei der Einspeicherung von Wärme in das Speichermaterial erhöht sich dessen
Temperatur. Diese Form der Wärmespeicherung wird deshalb auch fühlbare
oder sensible Wärmespeicherung genannt.
3.2 Latentwärmespeicherung
Unter Latentwärmespeicherung versteht man die Speicherung von Wärme in
einem Material, welches einen Phasenübergang, vorwiegend von fest auf flüssig
erfährt (engl. Phase Change Material, PCM). Bei der Einspeicherung von
Wärme in das Speichermaterial beginnt das Material bei Erreichen der Temperatur
des Phasenübergangs zu Schmelzen und erhöht dann, trotz weiterer Einspeicherung
von Wärme, seine Temperatur nicht, bis das Material komplett geschmolzen
ist, erst dann tritt wieder eine Erhöhung der Temperatur ein.

Zur Zeit am Markt verfügbar und preislich interessant sind die Alukassettenplatten
(Bild 2) die ca. 18 €/Stück kosten und auch in kleineren Stückzahlen über
den trubadu Shop bezogen werden können. (www.trubadu.de/shop)
3.5 Die Temperaturauslegung für den Luftkollektor Speicher
Betrachtet man den Tagestemperaturverlauf des Warmluftkollektors, so sollte
die Zustandsänderung des Speichermaterials für die Energiespeicherung
zwischen 25-35°C Grad liegen. Somit sind geringe Selbstentladungsverluste
zu erwarten.
Der Speicher wird im Wohnraum betrieben, um Wärmeverluste durch aussenliegende
Rohre und Wanddurchgänge zu vermeiden. Für die rasche Nutzung
des Wärmeinhaltes sind zusätzliche Lüfter verbaut, die die kühlere
Wohnraumluft im Umluftbetrieb durch den Speicher führen und diesen somit
entladen.

5. Literaturverzeichnis
Recknagel-Sprenger-Schramek:
Taschenbuch für Heizung & Klima
Technik.
Physik Formeln & Gesetze
Buch & Zeit-Verlag Köln
Elektrotechnik Grundlagen
und Begriffe
Buch & Zeit-Verlag Köln
www.Conrad Elektronik.de Hauptkatalog 2010/2011
www.ELV.de Hauptkatalog 2010/2011
www.Reichelt.de Hauptkatalog 2010/2011
6. Anhang Bauanleitung 43 Seiten Bauplan

Impressum
Idee & Entwicklung: Dipl. Ing. Stefan Brandt
Text & Fotos: Dipl. Ing. Stefan Brandt
Druck & Layout: Dipl. Ing. Stefan Brandt
www.trubadu.de – www.trubadu.com
S_Brandt@t-online.de
1. Auflage 2010
Schutzgebühr 16 €
Eine Bearbeitung, Veränderung oder Manipulation in jeder Weise, insbesondere
digital, des urheberrechtlich geschützten Werkes ist nicht gestattet.
Die Weitergabe des Materials oder der Nachdruck - auch auszugsweise - an
Dritte bedarf der Zustimmung des Autors.
Der Nachbau erfolgt grundsätzlich auf eigene Gefahr – es kann für evtl.
Schäden aller Art (gebäudetechnisch/gesundheitlich), die beim Nachbau,
dem Betrieb oder der Montage entstehen, keine Haftung übernommen werden.
Gerichtsstand ist Goslar.
In eigener Sache:
Forschung kostet Geld!
Auch ich habe dies erfahren müssen, inzwischen habe ich mehrere tausend
Euro in Material, Messtechnik und Software investiert. Ich freue
mich über reges Interesse an meinem Bauplan - aber bitte verzichten
Sie auf Vervielfältigung, Weitergabe oder Änderung meiner PDF - Dateien.
Dipl. Ing. Stefan Brandt
Jahrgang 1968
Fachgebiet technischer Umweltschutz
Schwerpunkt Abfallwirtschaft

Bauanleitung
PCM Wärmespeicher
für Luftkollektoranlagen
Dipl.-Ing. Stefan Brandt
Teil 2
1. Auflage November 2010

Ladekurve PCM Plattenspeicher vom 29.09.2010 *
Start
PCM
Schmelz
-bereich
Speicher
geladen
Speicher
wird
entladen
Speicher ist
entladen
Speichertemperatur
Aussentemperatur
* ) Testbeladung erfolgte mit einem Heißluftfön und 60 Grad heißer Luft

4,5 kWh PCM Speicher *
PCM Parafin-Grafit Platte
max. 38 Platten a 90,74 Wh
entspricht 3,45 KWh
PCM Salzhydrat Alu Platte
max. 30 Platten a 35 Wh
entspricht 1,05 kWh
*) Speicher im Bild noch nicht ganz befüllt

Speichergehäuse II
Als erstes wird der untere Bereich mit einer rundum
verlaufenden Holzleiste versehen. Diese dient als Auflage für
die Querhölzer auf denen die PCM Module stehen. Die
Auflagenleiste kann gut aus dem Lattenboden gefertigt werden
(siehe übernächste Seite).
Holzleiste

Ansaugraum IV
Detailbilder des Ansaugraumes

Ansaugraum V
Fertiger Ansaugraum mit den Walzenlüftern
Der linke größere Lüfter ist für die Zuluft Beschickung, der rechte kleinere Lüfter für die
Umluftzufuhr. Beide sind räumlich durch das hochkant stehende Brett getrennt. Der linke
Raum erhält noch ein Deckbrett und ist somit so gut wie dicht zu Umgebungsluft. Der
rechte Lüfter saugt die bodennahe kühlere Raumluft durch die Lamellen an und bläst
diese in den Druckraum unterhalb der Module.

Anschluss des Speichers an den Fassadenkollektor,
hier im Beispiel voll beladen mit 30
Stück ecophit Modulen und 20 Stück PCM Alu
Platten.

PCM Speicher im Betrieb
Der Luftaustritt ist im unteren Bild schematisch mit
Pfeilen dargestellt. Rechts im Bild ist die montierte
Steuerung zu erkennen.

Speicherbeladung mit Fassadenkollektor
Tagesverlauf am 09.10.2010 von 11.20 Uhr – 20.36 Uhr
Tagesverlauf am 10.10.2010 von 11.44 Uhr bis 15.41 Uhr
(Sonneneinstrahlung Kollektor bis ca. 15.30 Uhr)
Sr 618C6
Date
Time
20.36 Uhr beladener Zustand

Wärmebilder des Funktionstestes vom 09./10. Oktober 2010
Die Aufnahmen mit einer Wärmebildkamera zeigen sehr schön
den Beladezustand des Speichers. Somit ist der Beweis einer
gleichmäßigen Beladung des Speichers über den Tag erbracht.
An beiden Oktobertagen betrug die Sonnenscheindauer ca. 8 h.
Die Entladung erfolgte jeweils nachts ab ca. 21 Uhr und dauerte
bis 3-5 Uhr am Morgen. Die Raumtemperatur sank um ca. 2
Grad ab. (ohne Speicher ca. 5 Grad)